Verbeterde optische absorptie in perovskiet/Si tandem zonnecellen met nanogaten-array

Resultaten en discussie

Om de rol te verduidelijken die nanoholes-array speelt bij de lichtabsorptie in de tandemzonnecellen en om het ontwerp van de optische eigenschappen goed te sturen, hebben we de absorptiecurve van nanoholes-array berekend onder verschillende vulverhoudingen. Bij het simuleren van het experiment, een 300 nm CH₃ NH₃ PbI₃ laag en een siliciumsubstraat van 1 m werden aangebracht om fotonen te vangen. Zoals te zien is in figuur 3a, b, bleef de hoogte van de onderste nanogaten stil op het getal van respectievelijk 600 nm tegen de verschillende tijdsperioden. Met de toenemende waarde van de vulverhouding van 0,1 naar 0,9, kan de absorptiecurve in drie delen worden verdeeld. In het begin vertoonde de absorptie een afnemende prestatie in een kort golflengtebereik van 300-600 nm. Vervolgens werd waargenomen dat de absorptie van de perovskietlaag een afname in het bereik van 600-850 nm vormde, terwijl de resonantie daarentegen piekt bij het startpunt van 600 nm. De derde delen vallen in het bereik van 850-1100 nm en bevatten in totaal drie absorptieresonantiepieken. Aangezien de beperking van de dominantie van de perovskietlaag over de absorptie van golflengten kan oplopen tot 850 nm, kan die waarde ook worden beschouwd als de drempelgolflengte van CH₃ NH₃ PbI₃ in ons model.

Optische karakterisering van tandemzonnecellen met nanoholes-array. een Absorptiespectra versus vulverhoudingen bij vaste P = 400 nm en h = 600 nm. b Absorptiespectra versus vulverhoudingen bij vaste P = 500 nm en h = 600 nm. c Fotostroomdichtheid versus vulverhoudingen in verschillende perioden. d Toenemende fotostroomdichtheid versus de vulverhoudingen onder de voorwaarde van P = 500 nm

Uit figuur 3c blijkt dat de fotostroomdichtheid en η een positieve correlatie vertonen, wat betekent dat deze zal toenemen met de toename van η. Wat de parameter vaste periode betreft, lijkt de toename van de stroomdichtheid eerst in een stadium met snelle groei te zijn, en de \(J_{i}\) komt geleidelijk in het verzadigingsbereik waar de vulverhouding groter is dan 0,5 vanwege de ongelijke verdeling van lange en korte golflengten in AM1.5G. Met de toenemende waarde van de vulverhouding werd ook de absorptie-efficiëntie van het siliciumsubstraat dienovereenkomstig verbeterd; het siliciummateriaal lijkt echter in een enkele periode te zijn afgenomen. Daarom zou de vulverhouding van silicium nanogaten-array een optimale waarde moeten zijn. De piek van resonantieabsorptie bereikt de waarde van bijna 1000 nm in het spectrum, en de piek kan worden beschouwd als het bereiken van zijn maximum wanneer de periode 500 nm is in vergelijking met die van andere twee omstandigheden. Afbeelding 3d toont de curve van de toename van de fotostroomdichtheid samen met de toenemende vulverhouding onder de voorwaarde dat P = 500 nm. Verder kan de rode lijn worden verkregen door de polynoomfitting. Er kan worden geconcludeerd dat wanneer de vulverhouding exact 0,5 bereikt, er een buigpunt zal verschijnen in de groei van de fotostroomdichtheid.

In overeenstemming met de bovenstaande analyse zijn de geoptimaliseerde absorptieparameters van de tandemcellen op basis van de nanogaten-array te vinden in de periode van 500 nm en is de vulverhouding in het exacte cijfer van 0,5. Om het emissiemechanisme van de lichtabsorptie verder te verduidelijken, worden de absorptiespectra tegen de verschillende nanogatenhoogten vergeleken in de genoemde toestand. Figuur 3a, b toont respectievelijk de veranderende variatietrend van spectrale absorptie en fotostroomdichtheid samen met de toenemende nanohole-hoogten. Het kan worden samengevat dat de absorptiepiek bij de 1000 nm-golflengte een hoge afhankelijkheid vertoont met de hoogte van nanogaten, terwijl de afhankelijkheid van de andere twee absorptiepieken getoond in figuur 4b van de hoogte van nanogaten erg zwak is. Een dergelijk resultaat geeft aan dat de Mie-resonantie de excitatie domineert. Uit figuur 4c, d, kan worden waargenomen dat de significante toename van de stroomdichtheid stijgt van 14,53 tot 15,68 mA/cm ² wanneer de diepte kleiner is dan 300 nm, en wanneer de h-waarden groter zijn dan 300 nm, zal de waarde een bijna verzadigend cijfer bereiken. Een dergelijke zwakke afhankelijkheid van de hoogte van nanogaten kan in de praktijk nuttig zijn voor zowel het ontwerp als de fabricage van nanogaten-arrays.

Optische karakterisering van tandemzonnecellen met nanoholes-array. een Absorptiespectra versus hoogte bij vaste P = 500 nm en η = 0,5. b De vergrote weergave van de absorptiespectra varieert van 800 tot 1100 nm. c Stroomdichtheid versus hoogte bij vaste P = 500 nm en η = 0.5

Als algemeen principe zullen de verstrooiings- en emissie-effecten optreden wanneer de lichtgolf de interfacestructuur van de tandemzonnecellen binnengaat. De verstrooiing van lichtgolven veroorzaakt door de nanogaten-arraystructuur zal het voortplantingspad van fotonen verlengen. Om de lichtabsorptie van perovskiet/Si tandem-zonnecellen met nanogaten-array verder te analyseren, kiezen de gesimuleerde experimenten de transversale elektrische veldintensiteitsverdeling \((|E|^{2} )\) bij 500 nm, 600 nm , 700 nm, 800 nm, 900 nm en 1000 nm golflengte, terwijl de hoogte vaststaat omdat de waarde van h op 900 nm blijft, wat ook wordt getoond in Fig. 5. Het ruimtelijke profiel van optische absorptie per volume-eenheid in x –z vliegtuig kan worden verdeeld in drie delen, namelijk perovskiet, nanohole-array en siliciumsubstraat. In het deel van de nanogaten-array is het gestructureerde silicium op afstand van de TiO₂ gevulde nanogaatjes, aangegeven met een stippellijn in figuur 5a.

Elektrische veldsterkteverdeling van tandemzonnecellen op vaste hoogte 900 nm a golflengte bij 500 nm, b golflengte bij 600 nm, c golflengte bij 700 nm, d golflengte bij 800 nm, e golflengte bij 900 nm, en f golflengte bij 1000 nm

Figuur 5a, b suggereert dat de bovenste cel de absorptie van korte golflengten (<-600 nm) zou kunnen domineren; het antireflectie-effect dat wordt geproduceerd door de nanogaten-array onder de golflengte van 600 nm lijkt echter opmerkelijker dan onder de golflengte van 500 nm. Vanwege de lagere absorptiecoëfficiënt van silicium is de absorptie bij middengolflengte (500-600 nm) echter lager dan die van de vlakke structuur. Mede dankzij het bestaan ​​van de periodieke nanogaten, kan ook een duidelijk interferentie-effect in de bovenste perovskietlaag worden waargenomen, wat betekent dat de reflectie van licht bij 700 nm en 800 nm terug in de bovenste cellen kan komen en de absorptie ervan kan verbeteren.

Op voorwaarde dat de perovskiet een scherpe absorberende rand heeft bij 850 nm, en dan zal de golflengte bij 900 nm en 1000 nm worden overgedragen naar en voornamelijk worden geabsorbeerd door de onderste cellen, zoals weergegeven in figuur 5e, f. Met de vulling van TiO₂ in de silicium nanogaten-array is het periodieke distributieverschil van de brekingsindex naar de onderste cellen bedoeld om de geleidende modi te ondersteunen die zich in het elektromagnetische veld nabij de tandems bevinden, en de koppeling van invallend licht met deze geleidende modi leidt tot een prominente toename van absorptie. Om de haalbaarheid van deze aanpak te illustreren, werden vier verschillende gevallen gesimuleerd om analyses uit te voeren onder verschillende array-hoogten van nanogaten. Al deze absorpties hebben dezelfde nanohole-arrayparameters als η = 0.5 en P = 500 nm, en hun invallende golflengtelicht is vastgesteld op 900 nm, zoals weergegeven in figuur 6. De interactie van de ondersteunde geleide modi-interactie wordt aanzienlijk verbeterd langs met de toenemende hoogte van de nanogaten.

Distributie van elektrische veldintensiteit bij 900 nm van tandemzonnecellen met nanogaten-array versus hoogte a h = 100 nm, b h = 300 nm, c h = 600 nm, d h = 900 nm